掘進工作面過構造帶支護強度優化設計與應用

＊宋煒峰

（山西潞安化工集團蒲縣常興煤業有限公司 山西 041207）

在礦井開采過程中，當采場巷道前存在著斷層、褶曲、陷落柱等隱藏的地質構造時，會造成采場頂的擠壓和破裂，如果支護不及時，或是錨索、錨桿等支護的力量不足以緩解頂板的壓力，將會造成支護失效、頂板冒落、片幫等災害，造成人員傷亡和設備損壞，給采場區的安全帶來很大的隱患[1]。為此，如何及早對其形成部位進行預應力處理，并利用較高的補強方法，保證其在開采過程中的安全性，已成為礦井迫切需要解決的技術難題。

1.工程概況

(1)工作面概況

山西某煤礦12000采區主要開采20#煤層，煤層傾角10°～15°，平均厚度3.2m，主要開采方式為：沿傾角方向設計井段960m，切眼沿傾角方向設置，預測井段可采儲量62.6萬噸。主要開采煤層是不容易發生自燃的煤層，沒有發生爆炸的危險?；仫L巷開挖過程中，發現了5個斷裂，3個是正向斷裂，2個是逆向斷裂，落差從0.7～1.6m不等。在靠近斷層暴露區以前，受構造應力場的作用，煤巷頂板破斷，巷道出現嚴重變形。表1為該工作面回風巷斷層情況表。

表1 12000工作面回風巷實揭斷層產狀參數

(2)存在問題

盡管目前已進行了多種優化，支護強度也有了很大的提高，但是，當遇到復雜的頂板巖體和地質構造時，如何實現有效地支護仍然面臨著較多困難。由于巖層的破裂，也常常會引起錨桿的脫落、扭轉等失效[2]。這些問題集中體現在以下幾個方面：

①在進行螺紋鋼錨桿的選擇時，應重視檢查錨桿質量情況，如果錨桿末端的螺紋存在劃扣，短缺沒有達到錨桿的要求，如錨桿兩端的鋼絲間距不一致，絲扣截深度不足，螺帽與螺桿之間的摩擦力降低，可引發鐵絲網出現彎曲斷裂問題。②當支架、鋼帶、金屬網等頂板支護輔助材料落下時，將大大影響頂板沉陷時接觸表面的支承拉力，使裂縫不斷發展，巖層破碎，形成網狀口袋，最終導致頂板整體結構失效。③因頂板完整性及巖石性質的差異，無論采用綜挖或炮挖，均會造成頂面成形不良，對錨桿錨索的施工造成較大的影響，同時，當錨桿錨索在布置時分布的不合理，也會降低支撐效果，造成頂板塌落及破裂[4]。

2.頂板支護理論分析

根據當前煤礦采掘中使用的一些支護方式，分別采用二次支護和高預應力兩種方式。

(1)二次支護理論

二次支護原理的基本思路是：在第一次開挖時，由于開采活動的作用，周圍巖體的應力值達到了最大。這一時期主要通過一次支護，使圍巖釋放出一部分能量，使其在受控條件下發生變形，當應力解除，變形趨于平穩時，再次進行二次支護，以實現預想的支護效果[5]。但在實際應用中，受礦山地質條件、圍巖性質、埋深等多方面的影響，不能一概而論，同時，部分巷道在開掘后很快就會發生變形、片幫等問題，有的甚至需要多次擴修巷道，這無疑會增加企業的投入，也會影響到正常的開掘時間，不利于企業安全生產。

(2)高預應力支護理論

與二次支護相比，高預應力支護模式具有更強的先進性。本項目提出了一種基于錨桿初始強度和剛度大幅提升的新方法，以實現對周圍巖層主動控制，降低了圍巖的錯動與變形，維護了圍巖整體構造的完整性。這樣就可以防止過度卸載所引起的形變加劇和構造失效，增加了后期維修工作量和耗材費用。要達到高預應力的要求，必須滿足下列條件：

①選擇的螺栓材料要有一定的硬度和強度，在保證巷道開挖后，保證巷道的整體穩定性的前提下，要提高錨索的預張力，將圍巖的壓力分布到錨索體系中，從而共同承擔巖體的卸載壓力。

②錨固材料應滿足支護強度，并具有一定的延展性，使圍巖在施工過程中能夠產生變形，并在施工過程中將能量釋放出來[6]；但是，它的自重要能滿足圍巖承受最小應力值，且不能超過巖體變形的極限位移值。

③支護打設要抓緊時間，在巷道開挖后立即進行，不能出現空班延遲打設的情況。如果在卸載過程中，由于巖體內部壓力的作用，使巖體產生了裂縫，這時在巖體中進行錨固，就無法達到預緊的效果。

3.頂板綜合支護方案

(1)支護材料選取

①高強度螺栓

A.高強螺釘的肌腱，其孔距要統一、合理，這樣，在安裝時就可以輕松地進入孔洞，而且粘著性好。為了達到這個目的，可以肌腱部上形成一個平均的應力分布，并在一定程度上施加一個高的預張力；該螺釘的直徑為22～25mm，長度為2～3m。

B.通過市場調查與選擇，選擇了兩種不同的肌腱連接材料，分別是BHRB500、BHRB600，其性能參數見表2。

表2 螺栓肌腱材料參數

②輔助配件

輔具主要由帶鋼板的肌腱螺母、高強度鋼帶、鋼絞線等材質組成。在降低了肌腱連接螺帽和鋼板間的摩擦力后，使肌腱連接的左側扭矩轉換成符合要求的最大預張力，起到了和防摩襯墊同樣的效果。采用“W型”高強度鋼板，其外形采用了冷滾壓工藝，韌度高，與頂板的接觸面大于單個托架，支撐作用更好[7]。在進行加工時，可以在防止應力集中來壓時，降低由于材料問題而造成的損壞失效，通常情況下，使用的鋼帶的厚度為2.5～3mm。在保證較高的預壓及壓力要求的前提下，可以將壓力調節到4～5mm，并將壓力調節到500kN，以防止壓力引起的壓裂變形。

在選擇鋼絲繩時，通常選用韌性高、強度高的材質。根據支撐強度的不同，分別選取對應的直徑，通常情況下，可以選取18mm、20mm和22mm三種類型，它們分別與破碎載重相對應，它們分別對應著408kN、510kN和607kN，還擁有7%的擴展性。

通常使用12#、14#兩種不同的槽鋼來制作支架。由于托盤是矩形的，所以在頂板受力下沉的時候，首先受力的是槽鋼的四面，當材料的強度與厚度設計不當時，將無法有效承受頂板的壓力，造成槽鋼變形與斷裂，進而造成頂板的支撐失敗。因此，經過計算與模擬實驗，應用300mm×300mm×18mm的槽鋼來加工，并增設可調墊片于錨桿、錨索眼的位置，這樣當托盤出現偏離鎖具中心線的情況后，可及時實施微調，讓其應力實現有效傳遞。

(2)永久支護方式設計

在巷道穿越斷裂前、后5m的范圍內，預先對頂板進行支護。在巷道中使用了帶螺紋的鋼錨、錨索和金屬網的組合支撐。設計錨桿間距為0.9m×0.9m，錨索間距為1.85m×0.9m。按照巷道的寬度，在每一行設置3條錨索，并通過梯級之間的鋼帶梁，以防止井眼位置重疊；錨桿與索具之間的間距應互相交錯，呈三花眼排列。視現場頂板完整性情況，可適當減少間隔間距，但必須嚴格按迎山角豎直頂板進行，以減少剪應力的作用。該巷道采用EBZ260型綜放工作面，單行進尺0.9m，對該巷道進行了施工。在確定頂板支護條件良好后，兩側幫段采用鋼筋錨桿、菱形網架、鋼帶梁組合支撐，幫段錨桿之間的排距為1.2m×0.9m，每排3個，上排距巷道頂底0.4m。頂幫段的支護結構見圖1。

圖1 頂幫支護設計平剖面

采用永久性支護措施后，巷道的變形和沉降得到了很大程度的降低，此外，在接近構造的地方，還采用了預應力加強和組合支護，從而提高了巷道的完整性，收到了很好的效果。圖2顯示了加強后的結果。

圖2 復合支護巷道加固效果

(3)臨時支護方式設計

在接近斷裂面時，必須放慢掘進切煤速率，采取挖1排，錨1排的方法，避免由于頂板失穩而導致的大范圍塌落和冒頂。在使用臨時支護的時候，選擇DW31.5-30/100B與矩形木垛相結合的單體水力支護，或選擇小型圓木作為頂板的支撐。將金屬網置于最上面，由單體支柱推著木堆疊把網抬到頂上，使其與巖石表面緊緊結合，再由手工將網的交接處用鋼絲相連；待3個單柱升緊并穩定后，采用錨桿機進行打錨，以加強其強度。

如果在頂板條件下打設錨桿后，經過評估，可以達到加固的效果，那么第一排就可以不使用錨索，這樣就可以避免暴露太長，從而對第二排的切煤作業造成影響。但后巷中的錨桿必須緊隨其后，才能避免由于開采的影響而導致巖體的深部破裂，從而產生潛在的破裂危險[8]。在巷道幫部，要根據煤的破裂、膨脹和結構的穩定性來判斷，如果出現片幫、煤體松軟、煤壁外鼓等情況，則要打好錨桿，緊跟在正頭上。在煤墻比較完整的情況下，最大可以延后5m，然后在5m的距離內補打幫部錨桿。

4.結論

利用高強度預加載錨桿及附屬部件的支撐材質，選擇帶螺紋的錨桿、錨索和金屬網，采用階梯之間的鋼帶梁柱等組合支撐方式，對采場巷道接近斷裂或其他結構時的采場巷道進行了優化，從而使采場巷道變慢，減少了采場巷道的整體損壞。在此基礎上，實現了巷道內應力消散、巖石擠壓變形速率和頂幫支撐時機的最佳匹配。經實際應用與數據觀察，該組合支撐可使綜采工作面位移下降70%～75%，且可使綜采工作面失穩下降5%～8%，可顯著提升綜采工作面的穩定性，并可節約綜采工作面的維修費用。